量子计算及其在空气动力学中的应用前景
发布时间：2021-09-04 02:13
量子计算是最重要的后摩尔计算技术之一,拥有经典计算机无可比拟的超强计算能力,未来能够对各行业应用产生颠覆性的影响。针对量子计算给空气动力学带来的机遇和挑战,详细综述了量子计算机、量子算法、量子底层软件栈等方面的研究进展。结合空气动力学领域常用的基础方法,在综述量子计算线性方程组求解、插值操作、数值积分、优化搜索等最新进展的基础上,结合典型量子算法深入分析了量子计算在空气动力学领域的应用前景,并指出了需要重点关注的研究方向。
【文章来源】：航空学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
图１量子傅里叶变换线路图Ｆｉｇ．１ＣｉｒｃｕｉｔｆｏｒＱＦＴ
控非门，该操作通过两束激光作用在两个离子上，并且在声子的协助下完成。该方案的主要障碍是可扩展性问题，即当达到约５０个量子比特时的离子阱极限问题。目前，基于离子阱方案研制量子计算机的单位有ＩｏｎＱ公司［３０］和霍尼韦尔公司［３７］等。其中，ＩｏｎＱ公司已研制出１６０个存储量子比特和７９个离子阱比特的量子计算机；霍尼韦尔公司称其离子阱量子计算技术已达到“创纪录的高保真量子操作”，有望在２０１９年底开始创造营收。图２显示了ＩｏｎＱ公司的量子计算机芯片［３８］。图２离子阱量子计算机芯片［３８］Ｆｉｇ．２Ｃｈｉｐｉｎｉｏｎ－ｔｒａｐｐｅｄｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｐｕｔｅｒ［３８］２．１．２超导电路方案超导电路方案利用超导体中的约瑟夫森结来产生抗噪声的量子比特。借助现有微加工技术，该方案可以很好地解决系统的可扩展问题，是一种非常有前景的量子计算机研制方案。目前，ＩＢＭ、谷歌、ＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ、阿里巴巴等国际知名公司以及中国科学技术大学都采用了该方案。图３显示了ＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ公司的超导处理器芯片［３９］。ＩＢＭ公司已研制出首台独立量子计算机ＱＳｙｓｔｅｍＯｎｅ并提供了云计算平台；国内外很多学者已基于该平台开展量子计算方面的研究［４０－４２］。谷歌公司推出一款７２个量子比特的计算机Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ，而ＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ公司已启动１２８量子比特的芯片研制计划。另外，中国科学技术大学潘建伟院士团队已研制出
航空学报０２３５０８－４图３ＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ公司超导芯片［３９］Ｆｉｇ．３ＱＰＵｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ［３９］２．２典型量子计算机原型系统２．２．１ＩＢＭＱ系统早在２０１７年，ＩＢＭ就推出一款１７量子比特的量子计算原型系统（简称Ｑ系统）；２０１９年，ＩＢＭ在国际消费电子展上又推出ＱＳｙｓｔｅｍＯｎｅ，并宣称它是专门为科学和商业用途设计的通用量子计算系统。该系统包含２０个量子比特，采用模块化和紧凑式设计，具备如下特点：①量子硬件能够自动校准，提供高质量的量子比特；②可以提供独立的量子计算环境；③通过紧凑型高精度的电子元件控制量子比特；④采用混合计算模式，其中经典计算提供安全的云访问，量子模块支持量子算法。基于Ｑ系统，ＩＢＭ推出了免费的量子计算云服务ＱｕａｎｔｕｍＥｘｐｅｒｉｅｎｃｅ。自２０１６年上线以来，该平台已经给各国科研人员提供了良好的量子算法研究环境，并催生出量子计算相关的许多成果。例如，Ｂｅｈｅｒａ等［４３］在Ｑ系统上验证了两种延长量子中继器信息传输距离的途径（即纠缠交换和净化模式）；Ｍａｎｄｖｉｗａｌｌａ等［４４］利用４量子比特实现了Ｇｒｏｖｅｒ算法；付向群等实现了ｔ比特半经典量子傅里叶变换，相比经典算法可节省若干量子比特和门电路［４１］。２．２．２中国科学技术大学多光子可编程量子计算原型机２０１７年，中国科学技术大学潘建伟院士团队联合浙江大
【参考文献】：
期刊论文
[1]国外量子信息技术发展分析[J]. 许文琪. 国防科技工业. 2019(05)
[2]基于IBM量子计算云服务的量子傅里叶变换实现[J]. 崔竞一,刘翼鹏,郭建胜. 信息技术与网络安全. 2019(04)
[3]Quantum Algorithm Design:Techniques and Applications[J]. SHAO Changpeng,LI Yang,LI Hongbo. Journal of Systems Science & Complexity. 2019(01)
[4]人工智能与空气动力学结合的初步思考[J]. 张天姣,钱炜祺,周宇,何磊,邵元培. 航空工程进展. 2019(01)
[5]A benchmark test of boson sampling on Tianhe-2 supercomputer[J]. Junjie Wu,Yong Liu,Baida Zhang,Xianmin Jin,Yang Wang,Huiquan Wang,Xuejun Yang. National Science Review. 2018(05)
[6]世界首台光量子计算机诞生[J]. 林落. 科学新闻. 2018(01)
[7]量子计算原理及研究进展[J]. 韩永建,李传锋,郭光灿. 科技导报. 2017(23)
[8]Q|SI＞:一个量子程序设计环境[J]. 刘树森,周立,官极,贺旸,段润尧,应明生. 中国科学:信息科学. 2017(10)
[9]量子机器学习算法综述[J]. 黄一鸣,雷航,李晓瑜. 计算机学报. 2018(01)
[10]量子计算若干前沿问题综述[J]. 孙晓明. 中国科学:信息科学. 2016(08)
本文编号：3382350
【文章来源】：航空学报. 2020,41(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
图１量子傅里叶变换线路图Ｆｉｇ．１ＣｉｒｃｕｉｔｆｏｒＱＦＴ
控非门，该操作通过两束激光作用在两个离子上，并且在声子的协助下完成。该方案的主要障碍是可扩展性问题，即当达到约５０个量子比特时的离子阱极限问题。目前，基于离子阱方案研制量子计算机的单位有ＩｏｎＱ公司［３０］和霍尼韦尔公司［３７］等。其中，ＩｏｎＱ公司已研制出１６０个存储量子比特和７９个离子阱比特的量子计算机；霍尼韦尔公司称其离子阱量子计算技术已达到“创纪录的高保真量子操作”，有望在２０１９年底开始创造营收。图２显示了ＩｏｎＱ公司的量子计算机芯片［３８］。图２离子阱量子计算机芯片［３８］Ｆｉｇ．２Ｃｈｉｐｉｎｉｏｎ－ｔｒａｐｐｅｄｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｐｕｔｅｒ［３８］２．１．２超导电路方案超导电路方案利用超导体中的约瑟夫森结来产生抗噪声的量子比特。借助现有微加工技术，该方案可以很好地解决系统的可扩展问题，是一种非常有前景的量子计算机研制方案。目前，ＩＢＭ、谷歌、ＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ、阿里巴巴等国际知名公司以及中国科学技术大学都采用了该方案。图３显示了ＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ公司的超导处理器芯片［３９］。ＩＢＭ公司已研制出首台独立量子计算机ＱＳｙｓｔｅｍＯｎｅ并提供了云计算平台；国内外很多学者已基于该平台开展量子计算方面的研究［４０－４２］。谷歌公司推出一款７２个量子比特的计算机Ｂｒｉｓｔｌｅｃｏｎｅ，而ＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ公司已启动１２８量子比特的芯片研制计划。另外，中国科学技术大学潘建伟院士团队已研制出
航空学报０２３５０８－４图３ＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ公司超导芯片［３９］Ｆｉｇ．３ＱＰＵｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＲｉｇｅｔｔｉＣｏｍｐｕｔｉｎｇ［３９］２．２典型量子计算机原型系统２．２．１ＩＢＭＱ系统早在２０１７年，ＩＢＭ就推出一款１７量子比特的量子计算原型系统（简称Ｑ系统）；２０１９年，ＩＢＭ在国际消费电子展上又推出ＱＳｙｓｔｅｍＯｎｅ，并宣称它是专门为科学和商业用途设计的通用量子计算系统。该系统包含２０个量子比特，采用模块化和紧凑式设计，具备如下特点：①量子硬件能够自动校准，提供高质量的量子比特；②可以提供独立的量子计算环境；③通过紧凑型高精度的电子元件控制量子比特；④采用混合计算模式，其中经典计算提供安全的云访问，量子模块支持量子算法。基于Ｑ系统，ＩＢＭ推出了免费的量子计算云服务ＱｕａｎｔｕｍＥｘｐｅｒｉｅｎｃｅ。自２０１６年上线以来，该平台已经给各国科研人员提供了良好的量子算法研究环境，并催生出量子计算相关的许多成果。例如，Ｂｅｈｅｒａ等［４３］在Ｑ系统上验证了两种延长量子中继器信息传输距离的途径（即纠缠交换和净化模式）；Ｍａｎｄｖｉｗａｌｌａ等［４４］利用４量子比特实现了Ｇｒｏｖｅｒ算法；付向群等实现了ｔ比特半经典量子傅里叶变换，相比经典算法可节省若干量子比特和门电路［４１］。２．２．２中国科学技术大学多光子可编程量子计算原型机２０１７年，中国科学技术大学潘建伟院士团队联合浙江大
【参考文献】：
期刊论文
[1]国外量子信息技术发展分析[J]. 许文琪. 国防科技工业. 2019(05)
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[9]量子机器学习算法综述[J]. 黄一鸣,雷航,李晓瑜. 计算机学报. 2018(01)
[10]量子计算若干前沿问题综述[J]. 孙晓明. 中国科学:信息科学. 2016(08)
本文编号：3382350
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